摘要 目的 目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)結(jié)合腹腔鏡模擬訓(xùn)練者的手眼運(yùn)動(dòng)特征對(duì)其訓(xùn)練效果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)的研究。本文主要利用MicronTracker雙目視覺(jué)導(dǎo)航儀和眼動(dòng)儀，通過(guò)分析訓(xùn)練者的手眼運(yùn)動(dòng)特征對(duì)腹腔鏡模擬手術(shù)的訓(xùn)練效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。方法利用MicronTracker雙目視覺(jué)導(dǎo)航儀采集并記錄器械尖端運(yùn)動(dòng)的三維坐標(biāo)，計(jì)算器械運(yùn)動(dòng)的總路徑長(zhǎng)度；利用眼動(dòng)儀采集并記錄訓(xùn)練者的操作時(shí)間和眼動(dòng)信息，并計(jì)算出注視率、眼跳率和眼跳幅度，來(lái)評(píng)價(jià)腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練效果。結(jié)果隨著操作次數(shù)的增加，訓(xùn)練者的熟悉程度增加。第30次訓(xùn)練操作與第1次訓(xùn)練操作相比較：操作時(shí)間減小了58.18%,呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，并趨于穩(wěn)定；右手器械總路徑長(zhǎng)度減少了63.95%,左手器械總路徑長(zhǎng)度減少了56.28%,左手器械總路徑長(zhǎng)度小于右手器械總路徑長(zhǎng)度，且均呈減少趨勢(shì)并趨于穩(wěn)定；眼跳率減小了20.81%,呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；眼跳幅度增大了28.39%,呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；而眼動(dòng)注視率和注視持續(xù)時(shí)間平均值并沒(méi)有顯著性變化（P>0.05）。結(jié)論基于手眼運(yùn)動(dòng)特征的參數(shù)（操作時(shí)間、左右手總路徑長(zhǎng)度、眼跳率和眼跳幅度等）可以作為腹腔鏡手術(shù)技能培訓(xùn)效果的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。

　　

　　關(guān)鍵詞 雙目視覺(jué)導(dǎo)航儀；眼動(dòng)儀；腹腔鏡手術(shù)技能；訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)

　　

　　0引言

　　

　　腹腔鏡手術(shù)是要求外科醫(yī)生具有高度手術(shù)操作技能的手術(shù)，與傳統(tǒng)開(kāi)放手術(shù)相比，要克服觸覺(jué)反饋、支點(diǎn)效應(yīng)及深度知覺(jué)等缺點(diǎn)[1].研究發(fā)現(xiàn)，腹腔鏡醫(yī)生手術(shù)的培訓(xùn)效果、手術(shù)經(jīng)驗(yàn)、手術(shù)方式與腹腔鏡手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生有著密切的關(guān)系[2-3].因此，對(duì)外科醫(yī)生進(jìn)行腹腔鏡手術(shù)技能培訓(xùn)是非常必要的。

　　

　　20世紀(jì)90年代末，美國(guó)胃腸內(nèi)鏡外科協(xié)會(huì)（Society of American Gastrointestinal Endoscopic Surgery,SAGES）成立了腹腔鏡手術(shù)基礎(chǔ)（Fundamentals of Laparoscopy Surgery,FLS）委員會(huì)，目的在于為腹腔鏡外科手術(shù)實(shí)習(xí)醫(yī)生提供一套操作標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)其具有認(rèn)知和精神運(yùn)動(dòng)的手術(shù)技能[4].Feldman等[5-6]為腹腔鏡技能培訓(xùn)的學(xué)習(xí)過(guò)程提出“學(xué)習(xí)曲線”、學(xué)習(xí)“穩(wěn)定期”和“學(xué)習(xí)率”等定義并對(duì)手術(shù)技能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

　　

　　在國(guó)內(nèi)，魯欣等[7]采用錄像考核及實(shí)時(shí)考核兩種考核方式對(duì)受訓(xùn)者的培訓(xùn)結(jié)果進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。在國(guó)外，Varas等[8]通過(guò)2名資深腹腔鏡醫(yī)師對(duì)培訓(xùn)者的錄像過(guò)程中的行為進(jìn)行分析，根據(jù)操作時(shí)間、手運(yùn)動(dòng)的路徑等指標(biāo)對(duì)腹腔鏡培訓(xùn)效果進(jìn)行評(píng)分。目前基于器械運(yùn)動(dòng)的客觀指標(biāo)（路徑長(zhǎng)度、運(yùn)動(dòng)平滑度等）廣泛用于虛擬現(xiàn)實(shí)或培訓(xùn)箱腹腔鏡手術(shù)技能培訓(xùn)效果的評(píng)價(jià)[1,9-10].雙目視覺(jué)系統(tǒng)因具有測(cè)試精度高特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于手術(shù)技能評(píng)估的平臺(tái)設(shè)計(jì)、視覺(jué)導(dǎo)航等[11-12].本文中利用雙目視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)記錄腹腔鏡模擬訓(xùn)練過(guò)程中手術(shù)器械尖端的運(yùn)動(dòng)路徑長(zhǎng)度。

　　

　　隨著視線追蹤技術(shù)的發(fā)展，眼動(dòng)參數(shù)可以為腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)效果提供客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，并認(rèn)為是潛在的培訓(xùn)工具[13-14].TonyTien等[15]作了相關(guān)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)16篇文章將眼動(dòng)參數(shù)作為評(píng)價(jià)工具，且均證明眼動(dòng)參數(shù)可作為客觀指標(biāo)。而國(guó)內(nèi)尚無(wú)將視線追蹤技術(shù)應(yīng)用到腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)中。本文中利用眼動(dòng)追蹤技術(shù)記錄腹腔鏡模擬訓(xùn)練過(guò)程中訓(xùn)練者的眼動(dòng)信息。結(jié)合訓(xùn)練者的手眼運(yùn)動(dòng)特征對(duì)腹腔鏡模擬訓(xùn)練的訓(xùn)練效果進(jìn)行客觀研究。

　　

　　1腹腔鏡訓(xùn)練任務(wù)的設(shè)計(jì)

　　

　　目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)化腹腔鏡手術(shù)模擬培訓(xùn)課程，各個(gè)機(jī)構(gòu)根據(jù)實(shí)際需求完成相應(yīng)的培訓(xùn)任務(wù)。不管采取任何形式的培訓(xùn)，其腹腔鏡的培訓(xùn)內(nèi)容是一致的，包括理論學(xué)習(xí)、技術(shù)訓(xùn)練、臨床實(shí)踐和專項(xiàng)技術(shù)培訓(xùn)。而腹腔鏡模擬訓(xùn)練箱的基本技能訓(xùn)練任務(wù)主要包括：①手眼協(xié)調(diào)訓(xùn)練；②定向適應(yīng)訓(xùn)練；③組織切割分離訓(xùn)練；④施夾和縫合打結(jié)訓(xùn)練；⑤模擬腸管吻合或膽囊切除訓(xùn)練[4,16-17].

　　

　　1.1訓(xùn)練任務(wù)設(shè)計(jì)

　　

　　本研究設(shè)定了“左右移環(huán)”訓(xùn)練任務(wù)來(lái)訓(xùn)練操作者的手眼協(xié)調(diào)能力和雙手配合能力。任務(wù)具體如下：要求訓(xùn)練者首先使用左手持器械從左邊柱子抓起橡膠環(huán)，遞給右手所持器械，并套在右邊柱子。待4個(gè)橡膠環(huán)逐次套在右邊的柱子上，再反過(guò)來(lái)操作由右手依次將橡膠環(huán)抓起遞給左手，并全部依次套在左邊的柱子上，算完成1次訓(xùn)練。訓(xùn)練任務(wù)如圖1所示。

　　

　　

　　

　　1.2訓(xùn)練對(duì)象

　　

　　招募右利手、無(wú)任何手部殘疾、矯正視力在1.0以上的在校大學(xué)生作為模擬腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)的訓(xùn)練者。在進(jìn)行訓(xùn)練前對(duì)志愿者說(shuō)明訓(xùn)練任務(wù)目的、內(nèi)容及具體的任務(wù)步驟，并均已了解和同意參加本文中的模擬腹腔鏡訓(xùn)練。每名志愿者均會(huì)進(jìn)行3個(gè)階段的訓(xùn)練，共30次訓(xùn)練。每個(gè)階段訓(xùn)練為連續(xù)性進(jìn)行10次“左右移環(huán)訓(xùn)練任務(wù)”操作。每個(gè)階段訓(xùn)練任務(wù)完成后讓訓(xùn)練者得到足夠的休息。

　　

　　1.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　

　　腹腔鏡手術(shù)模擬訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)、雙目視覺(jué)采集系統(tǒng)和視線追蹤系統(tǒng)三部分組成，如圖2（a）所示。本次訓(xùn)練選用的腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練箱是上海世德醫(yī)學(xué)科技有限公司生產(chǎn)的，操作臺(tái)可以自由調(diào)整合適高度以適應(yīng)不同訓(xùn)練者的身高。顯示器為普通電腦顯示器（尺寸為48cm×33cm,分辨率為1280×720）。實(shí)驗(yàn)操作所用手術(shù)器械如圖2（b）所示。MicronTracker雙目視覺(jué)導(dǎo)航儀是采用加拿大Claron科技有限公司生產(chǎn)的第三代雙目光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，型號(hào)為H3-60[圖2（a）],在本訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)中采樣率設(shè)置為50Hz.在訓(xùn)練過(guò)程中，MicronTracker通過(guò)捕捉器械上Marker點(diǎn)位置[圖2（b）],可以實(shí)時(shí)地獲取在其視野范圍內(nèi)Marker點(diǎn)在其坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，精度高達(dá)0.25mm.并通過(guò)尖端標(biāo)定實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)捕獲手術(shù)器械尖端的三維坐標(biāo)。眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)采用TobiiX1Light便攜式全自動(dòng)定標(biāo)眼動(dòng)儀[圖2（a）],采樣率為30Hz,可直接安裝在腹腔鏡模擬訓(xùn)練箱的顯示器下方來(lái)實(shí)時(shí)記錄操作過(guò)程及采集眼動(dòng)數(shù)據(jù)，追蹤培訓(xùn)者視線注視等。根據(jù)顯示器的大小，合理設(shè)置眼動(dòng)儀與屏幕的角度固定，并將相關(guān)參數(shù)輸入眼動(dòng)分析軟件，以保證數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

　　

　　

　　

　　每位訓(xùn)練者在訓(xùn)練前均會(huì)調(diào)整訓(xùn)練箱的高度以使其處于舒適的操作位置。每次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前均對(duì)每位訓(xùn)練者進(jìn)行眼動(dòng)標(biāo)定，以保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。圖2（c）是訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)及設(shè)備采集數(shù)據(jù)過(guò)程。

　　

　　2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　

　　2.1客觀評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)

　　

　　在總30次訓(xùn)練任務(wù)中，每次訓(xùn)練數(shù)據(jù)處理均由所有訓(xùn)練者所得的數(shù)據(jù)在剔除無(wú)效數(shù)值后求平均值。由于眼動(dòng)采樣率低的數(shù)據(jù)會(huì)影響眼動(dòng)分析，因此將采樣率低的某次訓(xùn)練的所有數(shù)據(jù)視為無(wú)效數(shù)據(jù)，不予處理。基于雙目視覺(jué)的參數(shù)指標(biāo)有左、右手總路徑長(zhǎng)度。基于視線追蹤的參數(shù)指標(biāo)有操作完成時(shí)間、注視率、眼跳率、平均持續(xù)注視時(shí)間和眼跳幅度。

　　

　　2.2訓(xùn)練結(jié)果分析

　　

　　2.2.1操作時(shí)間與錯(cuò)誤數(shù)

　　

　　左右移環(huán)任務(wù)可以訓(xùn)練操作者的手眼協(xié)調(diào)及雙手配合能力。任務(wù)操作時(shí)間已被廣泛用于腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練效果的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，無(wú)論是在基于模擬培訓(xùn)箱中還是在虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練器的訓(xùn)練中[1,18].操作時(shí)間越短，說(shuō)明操作越熟練。圖3所示為所有訓(xùn)練者操作訓(xùn)練30次的操作時(shí)間的平均值，數(shù)據(jù)顯示隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加操作時(shí)間呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，在第1階段，第10次操作時(shí)間較第1次操作時(shí)間下減小了47.3%;第2階段中，第10次較第1次減少35.07%;第3階段中，第10次較第1次減少34.16%.第30次操作較第1次操作，操作時(shí)間減少了58.18%,對(duì)各階段的訓(xùn)練操作時(shí)間進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明具有顯著性差異（P<0.05）。由于每個(gè)階段10次訓(xùn)練結(jié)束后訓(xùn)練者得到足夠休息，再次訓(xùn)練時(shí)不如第1次前階段第10次熟練，因此在每個(gè)階段的第1次訓(xùn)練中操作完成時(shí)間明顯高于其他第次。但第3階段的第1次明顯低于第1、第2階段的第1次訓(xùn)練。

　　　　

　　2.2.2左、右手總路徑長(zhǎng)度分析

　　

　　由MicronTracker雙目視覺(jué)導(dǎo)航儀分別采集并記錄了訓(xùn)練過(guò)程中左、右手手術(shù)器械上Marker點(diǎn)的三維坐標(biāo)。編寫(xiě)MATLAB程序分別計(jì)算出左、右手器械尖端運(yùn)動(dòng)的總路徑長(zhǎng)度。左、右手器械尖端運(yùn)動(dòng)總路徑長(zhǎng)度越小，說(shuō)明其操作越熟練。

　　

　　由圖4可知，第30次較第1次操作，右手器械路徑總長(zhǎng)度減少66.22%,左手器械運(yùn)動(dòng)總長(zhǎng)度減少了56.28%.如表1所示，第3階段左右手操作路徑長(zhǎng)度與第1階段比較具有顯著性差異（P<0.05）。隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，操作時(shí)間和左右手運(yùn)動(dòng)路徑長(zhǎng)度逐漸趨于穩(wěn)定的水平，與文獻(xiàn)中所述的學(xué)習(xí)曲線達(dá)到穩(wěn)定期相一致。

　　

　　

　　

　　2.2.3眼動(dòng)數(shù)據(jù)分析

　　

　　本實(shí)驗(yàn)中眼動(dòng)數(shù)據(jù)均是基于TobiiStudio3.3.1軟件中I-VTFilter算法分析所得，分析數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)置注視時(shí)間為大于100ms.注視是將眼睛中的中央窩對(duì)準(zhǔn)某一對(duì)象的過(guò)程，一般注視過(guò)程的時(shí)間大于100ms,通常為200~600ms;眼跳是指眼球在兩個(gè)注視點(diǎn)之間的快速跳動(dòng)，持續(xù)時(shí)間30~120ms[19].實(shí)驗(yàn)所得各階段參數(shù)值如表2所示。

　　

　　

　　

　　注視率是指平均每秒鐘注視的次數(shù)，眼跳率是指平均每秒鐘的眼跳次數(shù)。這兩個(gè)指標(biāo)均可以作為客觀評(píng)價(jià)腹腔鏡手術(shù)技能，區(qū)分新手與專家[20].表2為各階段訓(xùn)練的注視率與眼跳率平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，注視率的變化較小，且各次訓(xùn)練的數(shù)據(jù)之間并沒(méi)有顯著差異（P>0.05）；隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，訓(xùn)練者對(duì)任務(wù)操作的熟練程度增加，眼跳率減小，呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且第30次較第1次訓(xùn)練操作，眼跳率減小了20.81%,第3階段眼跳率明顯小于第1階段。對(duì)各組眼跳率進(jìn)行方差分析，無(wú)顯著性差異（P>0.05）。

　　

　　平均注視持續(xù)時(shí)間[20]是指在每次持續(xù)注視時(shí)間的平均值即總的注視時(shí)間與注視次數(shù)的比值。眼跳持續(xù)時(shí)間是指在每次眼跳持續(xù)時(shí)間的平均值即總的眼跳持續(xù)時(shí)間與眼跳次數(shù)的比值。由表2可知，平均注視持續(xù)時(shí)間趨于穩(wěn)定，差異較小，但對(duì)各組間無(wú)顯著性差異（P>0.05）。眼跳持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但各組間也無(wú)顯著性差異（P>0.05）。

　　

　　

　　

　　眼跳幅度是指一次眼跳從開(kāi)始到結(jié)束時(shí)所覆蓋的范圍，也是指從一次注視結(jié)束開(kāi)始轉(zhuǎn)移到下一次注視之前眼睛跳躍的范圍，通常采用視角進(jìn)行表示[21].眼跳幅度是衡量注意深度的一個(gè)指標(biāo)。如圖7所示，隨著訓(xùn)練次數(shù)的增多，眼跳幅度有增大的趨勢(shì)；第30次操作較第1次操作眼跳幅度增大了28.39%.對(duì)各階段的眼跳幅度進(jìn)行單因素方差分析，各組數(shù)據(jù)有明顯的差異（P<0.05）。

　　

　　2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　

　　在本文共3個(gè)階段30次的訓(xùn)練操作中，隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，操作者對(duì)訓(xùn)練任務(wù)越來(lái)越熟練，操作時(shí)間和左右手總路徑長(zhǎng)度均呈現(xiàn)穩(wěn)定下降的趨勢(shì)，并呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，與“學(xué)習(xí)曲線”中所提到學(xué)習(xí)的穩(wěn)定期特征相符合。眼跳率也呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，眼跳幅度有明顯增大的趨勢(shì)。文獻(xiàn)[20,22]指出專家和新手的眼跳率、眼跳幅度等有顯著性差異。因此，眼跳率和眼跳幅度也可作為評(píng)價(jià)腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)效果的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。而注視率和平均持續(xù)注視時(shí)間則在整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，且各組數(shù)據(jù)差異變化也沒(méi)有顯著性差異，不能明確地作為培訓(xùn)結(jié)果的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　

　　3討論

　　

　　本研究主要是基于雙目視覺(jué)導(dǎo)航儀和眼動(dòng)追蹤技術(shù)，結(jié)合訓(xùn)練者的手眼運(yùn)動(dòng)特征對(duì)腹腔鏡模擬訓(xùn)練效果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，以提供更有效、準(zhǔn)確的客觀指標(biāo)。通過(guò)分析各組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，操作者對(duì)訓(xùn)練任務(wù)越來(lái)越熟練，任務(wù)完成時(shí)間呈下降的趨勢(shì)，且左右手總路徑長(zhǎng)度也呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，有顯著性的變化，眼跳率也呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；而眼跳幅度，有明顯增大的趨勢(shì)，符合腹腔鏡手術(shù)技能的學(xué)習(xí)曲線。而數(shù)據(jù)中平均注視時(shí)間和注視率并沒(méi)有明顯的變化，可能是在短時(shí)間，訓(xùn)練者并沒(méi)有達(dá)到專家級(jí)水平，而是更熟練，不足以改變?nèi)说难蹌?dòng)行為特征。從另一方面來(lái)說(shuō)，在腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)中或是學(xué)習(xí)曲線中平均注視時(shí)間和注視率沒(méi)有指導(dǎo)性意義，不能區(qū)分新手與熟練者而作為腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)效果的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。

　　

　　本文所提出的客觀評(píng)價(jià)方法可以為新晉腹腔鏡醫(yī)生的腹腔鏡手術(shù)模擬訓(xùn)練提供客觀參考指標(biāo)。利用雙目視覺(jué)導(dǎo)航儀采集器械的運(yùn)動(dòng)特征來(lái)分析訓(xùn)練者的手部運(yùn)動(dòng)特征，根據(jù)器械的運(yùn)動(dòng)路徑長(zhǎng)度等參數(shù)可以客觀地判斷訓(xùn)練者的熟練程度，區(qū)分新手與熟練者。利用眼動(dòng)儀記錄訓(xùn)練者的眼動(dòng)信息，根據(jù)訓(xùn)練者的眼跳率、眼跳幅度等特征，分析訓(xùn)練者是否對(duì)訓(xùn)練任務(wù)較熟悉，了解醫(yī)生在模擬訓(xùn)練過(guò)程中的狀態(tài)。

　　

　　本研究所提出的客觀評(píng)價(jià)方法仍有不足之處。在后續(xù)的工作中，將分析及計(jì)算出如注視關(guān)鍵位置、眼跳峰值速度等；進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及Marker點(diǎn)放置位置，并利用數(shù)據(jù)計(jì)算器械運(yùn)動(dòng)的平滑度、加速度等客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)培訓(xùn)效果。

　　

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